自动驾驶专题介绍 ———— 转向系统

转向系统

 转向系统是按照驾驶员的意图改变或保持汽车行驶方向的系统。根据转向能源的不同，可以将转向系统分为机械转向系统和动力转向系统。
  1. 机械转向系统 —— 以驾驶员的体力作为转向能源的转向系统。其中所有的传力件都机械的，也称为人力转向系统。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。
  2. 动力转向系统 —— 兼用驾驶员体力和发送机或电动机的动力作为转向能源的转向系统。它是在机械转向系统的基础上附加一套转向加力装置。正常状态下，汽车转向所需要的能量只有一小部分由驾驶员提供，其余的大部分由发动机或电动机通过转向加力装置提供。在转向加力装置失效的情况下，还应能由驾驶员独立承担转向任务。

转向器

 转向器的功用是将来自方向盘的转向力矩和转向角进行适当变换，再输出给转向传动机构，其本质是减速传动装置，一般有1到2级减速传动副。 现阶段比较常见的几种转向器为齿轮齿条式、循环球-齿条齿扇式、循环球-曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式。

齿轮齿条式

 齿轮齿条式转向器一般由转向齿轮、转向齿条、壳体和预紧力调节装置等部分组成。其中，转向齿轮作为主动件，与水平布置的转向齿条啮合，构成齿轮齿条传动副，将驾驶员的转向操纵力传递给转向横拉杆总成，经转向横拉杆末端带动转向节转动。预紧力调节装置可保证齿轮齿条的无间隙啮合。
 齿轮齿条式转向器结构简单、质量轻、刚度大、转向灵敏、成本低、效率高、便于布置，且特别适用于烛式和麦弗逊悬架，因此在桥车、微型车和轻型货车上都有广泛的应用。

循环球式

 循环球、齿条齿扇式转向器具有两级传动副。一级是与转向轴连接的转向螺杆和转向螺母，另一级是齿条齿扇。转向螺母既是第一级的传动副的从动件，也是第二级传动副的主动件。转向螺杆与转向螺母之间不直接接触，而是通过两者之间的滚珠实现滚动摩擦。
 当方向盘转动时，转向轴带动转向螺杆旋转，通过滚珠将力传给转向螺母，使得转向螺母沿轴向运动，从而通过螺母外部的齿条带动扇形齿轮轴滚动，实现车轮的转向。

蜗杆曲柄指销式

 蜗杆曲柄指销式以蜗杆为传动副的主动件，以装在摇臂轴曲柄端部的指销为从动件。转动蜗杆时，与之啮合的指销即绕摇臂轴的轴线作圆弧运动，并带动摇臂轴转动实现转向。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。

转向助力

 高速轿车、重型载货汽车和越野汽车在转向时需要克服的转动阻力较大，普通的机械转向系统难以满足转向需求。为了避免驾驶员转向施力不足，减轻驾驶疲劳，目前来说汽车大部分采用了转向助力。根据转向助方式的不同，可以将转向助力分为液压助力、气压助力和电动助力。

液压转向助力系统

 对上面图片进行一个说明：
  1. 转向动力缸
  2. 转向动力缸活塞
  3. 转向齿轮
  4. 转向齿条
  5. 流量控制阀
  6. 转向液压泵
  7. 储油罐
  8. 回油管路
  9. 进油管路
  10. 扭杆
  11. 转向轴
  12. 转阀阀芯
  13. 转阀阀套

 将发动机输出的部分机械能转化为液压能或气压能，并在驾驶员控制下帮助驾驶员完成转向，称为液压或气压助力转向。这里着重介绍一下液压转向助力系统。液压助力系统可以分为常压式和常流式两种。常压式装置的特点是无论方向盘的状态如何，该装置中的系统保持在高压。常流式装置的特点是装置中的液压是由方向盘控制。对于常流式转向助力装置按其结构布置方案可以分为以下三大类：
  1. 整体式动力转向器 —— 机械转向器与转向动力缸制成一体，并与转向控制阀组装在一起。
  2. 半整体式动力转向器 —— 转向控制阀同机械转向器组成一个部件，转向动力缸作为独立部件。
  3. 转向加力器 —— 机械转向器作为独立部件，转向控制阀和转向动力缸组成一个部件。

 汽车直线行驶时，转阀处于中间位置，转向液压泵输出的油液流入转阀进油口，进入转阀腔体。此时转向动力缸两腔相通，动力缸两腔不存在压差，油液经回油管路流回储油罐。当汽车进行转向时，方向盘、转向轴连同阀芯进行转动。因为存在路面转向阻力，转向动力缸活塞和转向齿条暂时无法运动，也连带着转向齿轮无法运动。此时，转向轴传到转向齿轮的转矩只能使得扭杆产生少许的变形，转阀阀芯得以相对于转阀阀套进行小角度转动，从而使得动力缸出现一个的高压进油腔，一侧低压回油腔。作用在动力缸活塞的液压就产生了。这份液压力会帮助转向齿轮迫使转向齿条进行移动，从而引导转向轮的偏转。

电动转向助力系统

 电动转向助力直接依靠电动机提供辅助转矩，可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的转向助力。主要的组成部分有转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、机械转向器等等。当转向轴转动时，转矩传感器开始工作，把两段转向轴作用在扭杆上的相对转角转化成电信号传递给电子控制单元（ECU）。ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的转动方向和助力电流的大小，并将指令传递给电动机。通过离合器和减速机构将转向助力施加到转向系统中，从而完成转向助力工作。

发展

 技术是随着人们需求的发展而更新。在上述的转向系统的基础上，各个公司又研发和生产出许多新型的转向系统，我们这边介绍一些比较有代表性的：
  1. 电控液压助力转向系统（Electrical Controlled Hydraulic Power Steering(ECHPS)）。它是在传统液压助力转向系统的基础上加装了由车速传感器、电磁阀、转向ECU等部件组成的电控系统。可通过车速信号控制电磁阀，进而调节腔内油压来控制转向助力的大小。克服了传统液压助力转向系统只能根据方向盘转角增量调节助力大小的局限。
  2. 电动液压助力转向系统（Electronic Hydraulic Power Steering(EHPS)）。该系统是使用电动机代替发动机来驱动液压泵。并由动力转向ECU提供供油特性，进而控制电动机转速。转速高而意味着转向油泵的流量和压力越大，产生的助力也就越大。
  3. 前轮主动转向系统（Active Front Steering(AFS)）。该系统由液压助力齿轮齿条助力转向系统、变传动比执行系统和电控系统组成。在行驶过程中，驾驶员输入的力矩和转角传递给扭杆，力矩输入由液力伺服电机根据车速和转向角进行助力控制，而角输入由双行星齿轮机构与控制吃输出的附加转角进行角叠加。其中，控制器输出的转角是根据各个传感器的信号综合计算得到。因此它可以根据车速的变化而不断改变转向系统中的传动比，使得在低速行驶时以较小的方向转角幅度而实现较大的转向。在高速行驶时则相反。
  4. 线控转向系统（Steer By Wire(SBW)）。该系统在驾驶员输入接口方向盘和执行机构转向轮之间通过线控连接。它可以通过助力电机发送电信号指令，从而实现对转向系统的控制，而非传统的液力或机械控制。